Nature：氢“有借有还”，轻松实现稀有糖异构体合成

聚糖具有多种生理功能，从细胞能量存储和结构完整性到信号传导和细胞内过程的调节。尽管从生物质衍生的碳水化合物（如D-葡萄糖、D-木糖和D-半乳糖）能够以商业规模提取，并能用于可再生的化学原料和基础材料，但仍有数百种单糖无法从其天然来源中分离出来。异构化是一种利用生物质前体合成稀有糖的有效策略（图1b），这些稀有糖在具有生物活性的天然产物和药物中具有显著的特征，例如抗病毒、抗菌、抗癌以及强心药。然而，由于糖的结构和立体化学的复杂性，这些方法仍极具挑战性。常见的化学异构化反应通常是非选择性的，因此导致产物的复杂热力学分布，往往难以分离。相比之下，酶促反应的精确度更高，已经成为化学策略强有力的替代方法。酶促异构化方法在工业制糖中占有重要地位，多步酶促反应也为稀有的己糖、戊糖和四碳糖异构体的合成提供了途径，但较低的产量和高昂的生产成本限制了这些策略的实施。

图1. 糖的异构化途径。图片来源：Nature

先前曾报道过辅酶S-腺苷甲硫氨酸（SAM）介导的酶促自由基差向异构化反应，如图1c所示，在新霉素C生物合成新霉素B的过程中，高能5'-脱氧腺苷自由基从新霉素C的末端攫取C5氢原子，随后通过半胱氨酸侧基巯醇将氢原子重新传递到相反面上（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 13909–13915; Nat. Chem., 2017, 9, 698–707）。受此启发，美国麻省理工学院的Alison E. Wendlandt教授课题组通过位点选择性自由基差向异构化反应，可直接从生物质衍生的碳水化合物制备稀有糖异构体（图1d）。机理研究表明该反应由动力学控制，通过两个不同的催化剂介导的氢原子攫取和氢原子提供过程依次进行。相关成果发表于Nature 期刊上。

对反应条件进行筛选后，作者选择α-甲基葡萄糖作为底物，在蓝光照射下，使用催化量的4-CzIPN、奎宁环、金刚烷硫醇和四丁基对氯苯甲酸铵在MeCN/DMSO中于室温下反应，3 h后以92%的收率得到唯一的产物α-甲基阿洛糖（图2）。对照实验表明，在没有光催化剂、硫醇或光照的情况下，没有观察到底物的差向异构化反应；在没有奎宁环的情况下，只观察到微量产物（< 1%）；在没有苯甲酸盐或以四丁基苯甲酸铵为碱的情况下，反应收率大大降低，分别为29%和63%；Ir[dF(CF₃)ppy]₂(dtbpy)PF₆也是一种有效的光催化剂，仅需要1 mol %的负载量就能催化该反应，考虑到成本差异，作者选择4-CzIPN作为光催化剂。烷基硫醇在该反应中具有独特的效果，使用硫酚或硫代苯甲酸/硫代乙酸衍生物时均未观察到反应，使用其他氢原子供体时也未观察到反应。虽然位点选择性的原因目前尚不完全清楚，但此处观察到的C3选择性与之前Waymouth, R. M.和Minnaard, A. J. 报道的氧化反应中底物控制的选择性相一致（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 7809–7812; ACS Catal., 2016, 6, 4653–4659; Chem. Commun., 2017, 53, 4926–4929）。

图2. 条件的筛选。图片来源：Nature

在最优条件下，作者对一系列生物质衍生的单糖的底物范围进行了考察（图3）。D-塔罗糖（2b）、D-古洛糖（2c）和D-阿卓糖（2d）可分别由β-甲基半乳糖、脱水半乳糖和脱水甘露糖生成。此外，生物质衍生的戊糖D-α-甲基木糖（1f）和L-β-甲基阿拉伯糖（1e）通过C3和C2差向异构化分别生成D-和L-核糖衍生物。虽然可以通过葡萄糖发酵大规模获得D-核糖，但L-核糖的合成方法仍然非常有限。富电子乙酰胺取代的葡萄糖衍生物1g也能进行差向异构化，以1.5:1的比例生成C3-和C4-异构化的产物2g和3g。

未保护的单糖也可以进行选择性差向异构化反应，例如D-葡萄糖可以在标准条件下生成42%的D-阿洛糖2k，而使用酶促反应，四步法的总收率仅为2.5%；L-岩藻糖以55%的收率生成L-6-脱氧塔洛糖2m；D-2-脱氧葡萄糖以61%的收率生成了D-2-脱氧阿洛糖2n。

随后，作者对更复杂的多糖进行考察，进一步评估了该反应条件的选择性和官能团相容性。蔗糖能够以68%的收率选择性地得到了2o；尽管棉子糖1p存在14个立体中心，但仍能以44%的收率得到单一的差向异构化产物2p；含嘧啶基团的1q反应生成C3差向异构化的产物2q。值得注意的是，C-糖苷SGLT2抑制剂依帕列净也能兼容该反应，仅生成C3差向异构化的产物2r，收率42%。

图3. 底物范围。图片来源：Nature

接下来，作者对反应的机理进行了研究。首先将6-脱氧-β-甲基塔洛塘（2h）置于标准反应条件下，并没有得到起始原料β-甲基岩藻糖1h（图4a）。接着，对α-甲基阿洛糖（2a）进行氘代实验，反应16 h后，在回收的α-甲基阿洛糖中发现C3位有39％的氘代，同时没有检测到葡萄糖（图4b）。结合已建立的热化学数据，这些实验证明了这些转变并不是在简单的平衡控制下进行的。

为了进一步探究该反应的各个基本步骤，作者在两组不同的条件下进行了Stern-Volmer荧光淬灭实验。结果表明，奎宁环能有效地淬灭激发态光催化剂，而金刚烷硫醇则不能猝灭。在奎宁环和金刚烷硫醇共同存在的情况下，淬灭动力学与奎宁环单独存在时完全相同。这些结果表明，激发态光催化剂被奎宁环淬灭后产生奎宁环自由基阳离子。当催化剂负载量增加到3 mol %时，并在没有硫醇的情况下进行反应，仅得到少量的3-酮糖（图4c），且无差向异构化产物生成。

图4. 机理研究。图片来源：Nature

为了探讨硫醇助催化剂的作用，作者以4-溴苯硫酚代替金刚烷硫醇进行了类似的荧光淬灭实验。在这些反应条件下，并没有观察到α-甲基葡萄糖的差向异构化产物或α-甲基葡萄糖的消耗。与金刚烷硫醇一样，仅用4-溴苯硫酚可观察到最小的荧光淬灭，然而在4-溴苯硫酚和奎宁环共同存在的情况下，荧光淬灭现象大大增强。作者推测通过奎宁环对硫醇的去质子化，或通过奎宁环/硫酚的氢键复合物的质子耦合-电子转移原位生成硫醇盐，而硫醇盐氧化到相应的硫基自由基可能会导致荧光淬灭的增强。同时，作者还发现苯硫酚钠对光催化剂的淬灭速度比奎宁环单独存在时高十倍，NMR滴定实验进一步证实了溶液中存在硫醇盐。这些实验表明，硫醇的酸性是反应能否进行的重要参数，在奎宁环存在下，酸性硫醇可以去质子形成硫醇盐，而硫醇作为助催化剂对初始的糖自由基转移氢原子被认为是后续的、不可逆的步骤。

总的来说，机理研究表明该反应是通过两个连续的、不同的氢原子转移步骤进行的。首先底物将氢原子转移到奎宁环自由基阳离子上，形成糖自由基；随后硫醇作为氢原子供体，重新将氢原子转移到糖自由基上（图4d）。虽然底物和产物都可以通过奎宁环自由基阳离子进行攫氢反应，但机理数据与不可逆的攫氢步骤相一致，即硫醇作为氢原子供体实现底物的非对映选择性转化。

总结

Alison E. Wendlandt教授课题组报道了一种新型的位点选择性差向异构化反应，可直接从生物质衍生的碳水化合物制备稀有糖异构体，是迄今为止产率和选择性最好的方法。机理研究表明该反应是通过两个不同的催化剂介导的氢原子攫取和氢原子提供过程顺序进行的，为合成高价值的天然产物提供了一条简洁且广泛的方法。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Synthesis of rare sugar isomers through site-selective epimerization

Yong Wang, Hayden M. Carder, Alison E. Wendlandt

Nature, 2020, 578, 403–408, DOI: 10.1038/s41586-020-1937-1

（本文由有所不为供稿）